中國粉體網訊  導熱電絕緣復合材料總體上可以分為填充型和本征型兩類。其中，填充型導熱復合材料是指在普通的絕緣聚合物材料中添加改性后的導熱填料，通過導熱填料的高熱導率和彼此之間形成的導熱通路，以此達到提升材料的導熱性能的目的。

石墨烯、碳納米管、陶瓷材料和金屬填料等均是常用的導熱填料，其中陶瓷填料的適用性更廣，即使在惡劣環境下也有廣泛的應用。陶瓷填料主要包括BN、AlN、SiC等，借助于陶瓷材料優異的抗酸堿與抗腐蝕性能，其在酸堿環境下需求換熱的領域可以發揮重要的作用。

影響復合材料導熱性能的因素

填料含量和粒徑的影響

填料的粒徑和使用量對改性基體材料的熱導率有顯著影響。同一種導熱填料，填料粒徑和尺寸越小，在聚合物材料中的分散越有利，從而有利于提高熱導率。此外，導熱填料之間的相互接觸和相互作用也更加明顯。在高填充量下，粒徑大小對熱導率影響將減弱，這是因為填料在基體樹脂內部已經形成導熱網鏈，粒徑大小對其分散作用已經不再明顯。

填料形狀的影響

研究人員以球狀氮化硼（s-BN）和片狀氮化硼（f-BN）為填料，制備了填充BN的環氧復合材料，研究了不同形態的BN對復合材料導熱性能的影響。研究表明：通過斷口形貌觀察到均勻分散的BN粒子在環氧基體內部形成了導熱通路。當加入氮化硼薄片時，復合材料的熱導率有了更大的提升，這是因為片狀的BN填料與基體的接觸面積更大，容易形成三維的導熱網絡。填充量為30%的f-BN/環氧樹脂復合材料的熱導率為0.93W/mK。

研究人員通過實驗研究了具有近乎矩形和球形的納米顆粒形狀的ZnO納米流體的熱導率。結果表明：與基礎流體相比，球形納米顆粒和近似矩形納米顆粒的ZnO納米流體的熱導率在5.0vol%時分別提高了12%和18%，這說明ZnO顆粒的形狀對熱導率的提高具有顯著的影響。矩形的納米ZnO顆粒相互接觸的幾率更大，更容易形成三維的導熱通路和網絡，同時相鄰矩形的ZnO顆粒之間熱阻更小，熱量的傳輸更加通暢。

填料表面處理的影響

通常來說，填料填充到聚合物基體中后，填料和基體界面間相容性很差，導致填料很難均勻分散在基體中。未經處理的填料容易聚集成團，同時兩者表面張力的差異使得其界面存在空隙，不利于界面熱阻的降低。通過一定的加工和表面改性可以改善二者的界面結合情況，有利于界面熱阻的降低，一般可以通過對導熱填料進行適當的表面處理或包覆，加強其界面結合力，減小界面的影響。目前主要方法有物理包覆處理和表面化學改性。

改性前填料與基體之間是機械結合，兩者界面之間可能會有空隙甚至是缺陷，這會影響復合材料的整體性能。表面改性后，填料與基體之間為共價鍵結合，這種結合方式使得兩者界面結合更加緊密，復合材料的導熱性能也更加優異。

成型工藝的影響

復合材料的成型工藝會影響填料在基體中的分布和導熱網絡鏈的形成。在加工過程中，可以控制填料沿預定方向排列，以在單個方向上獲得高導熱率。目前，常用的加工方法主要包括粉末混合法、溶液混合法、熔融混合法和雙輥混合法。

例如為了制備單一方向導熱性能良好的材料，可采用外加電場的方法使導熱填料沿熱流方向定向分布。研究人員將氮化硼填充到有機硅中，并研究了外加電場對氮化硼在有機硅復合材料中填料熱流方向定向分布的影響。結果表明：交流電場和直流電場均有利于氮化硼形成取向導熱網絡結構，其中交流電場對氮化硼的作用要高于直流電場。當氮化硼填充含量為20wt%時，經電場作用的復合材料的熱導率比未經電場作用的高250%。

資料來源：李啊強：基于AlN改性的導熱/電絕緣PEEK復合材料的制備與性能研究，南京航空航天大學

（中國粉體網編輯整理/平安）

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